15.05.2019

Antriebsintegrierte Safety-Funktionen ohne Encoder

Geberlos sicher

Welches Ziel hat funktionale Sicherheit? Die von technischen Einrichtungen ausgehenden Risiken für Mensch und Umwelt so gering wie möglich zu halten. Bearbeitungs- oder Werkzeugmaschinen können Bediener oder Techniker z.B. durch Werkzeuge gefährden, die mit hoher Drehzahl rotieren. Antriebstechnik, die die erforderlichen Safety-Funktionen ohne Drehgeber sicherstellen, bieten dem Anwender verschiedene Vorteile.


Geberlose Sicherheit am Beispiel einer Holzbearbeitungsmaschine
Bild: KEB Automation KG

Der sichere Betrieb von Maschinen erfordert häufig Sicherheitsfunktionen zur Begrenzung von Drehzahlen, Drehrichtungen oder Achspositionen. Bei klassischen Sicherheitslösungen werden gefährliche Betriebszuständen durch externe Sicherheitsmodule erfasst und vermieden. Dadurch steigt die Komplexität des Sicherheitskonzepts der Maschine. Im Gegensatz dazu kommen heute Drive Controller mit integrierten Sicherheitsfunktionen und Sicherheitssteuerungen inklusive zertifizierter Funktionsbausteine zum Einsatz, die den Verdrahtungsaufwand reduzieren und das Sicherheitskonzept vereinfachen. Bei einigen Applikationen mit kompakten Motoren oder auch Hochfrequenzspindel-Motoren ist kein Geberanbau für sichere Überwachungsfunktionen möglich. Da z.B. die Drehzahlüberwachung üblicherweise auf Signale von Gebern angewiesen ist, sind neue Konzepte für Sicherheitsfunktionen ohne Sensorik notwendig. Geberlose Sicherheitsfunktionen im Antrieb bieten neben individuelleren Maschinenkonzepten kosteneffiziente Möglichkeiten zur einfachen Antriebsüberwachung. Darüber hinaus reduziert sich der Aufwand für Wartung und Instandhaltung. Bei welchen Anwendungsfällen bieten geberlose Sicherheitsfunktionen Vorteile?

  • • Bei rauen Umgebungsbedienungen, die die Nutzung eines Gebers einschränken
  • • In kostenintensiven Applikationen mit geberloser Antriebsregelung
  • • Zur Umschaltung zwischen mehreren Motoren an einem Drive Controller
  • • Die Implementierung von komplexen mechanischen oder elektrischen Maßnahmen entfällt

Beispiel aus der Holzbearbeitung

Geberlose Sicherheitsfunktionen können in unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz kommen. Ein Beispiel sind Werkzeugmaschinen bzw. CNC-Bearbeitungszentren, mit denen mehrere Bearbeitungsschritte an einem Werkstück durchgeführt werden können. Sie umfassen unter anderem Funktionen von Dreh-, Fräs- und Bohrmaschinen und eigenen sich etwa zur Komplettbearbeitung von Holzwerkstoffen und Massivholz. Die sechste Generation der Antriebe von KEB Automation bietet skalierbare Sicherheitsfunktionen direkt im Drive Controller. Den Anforderungen entsprechend können für die Frequenzumrichter Combivert F6 und S6 die Gerätevarianten Kompakt, Applikation und Pro je nach gewünschtem Funktionsumfang ausgewählt werden.

  • • In der Variante Kompakt ist als Basisfunktion STO integriert.
  • • Für drehzahl- und lageabhängige Sicherheitsfunktionen mit Geber steht die Gerätevariante Applikation zur Verfügung. Eine flexible Anpassung der Sicherheitsfunktionen und Grenzwerte ist über digitale I/Os und/oder Safety over Ethercat (FSoE) möglich.
  • • Die Gerätevariante Pro macht die Umsetzung der geberlosen Sicherheit möglich. So können sichere Lösungen z.B. in Applikationen umgesetzt werden, bei denen kein Geberanbau möglich ist. Darüber hinaus reduzieren sich die Kosten. Das Gerät ermittelt die sicheren Geschwindigkeitsparameter aus der Pulsweitenmodulation (PWM) der Motorversorgung. Zusätzlich zu STO verfügt die Variante Pro über eine sichere Bremsensteuerung (SBC), die eine sichere 24V-Versorgung für den Bremsbetrieb sowie eine sichere Überwachung des Schaltzustands der Bremse über eine zweikanalige Mikroschalterauswertung (MSM) bereitstellt. Auch hier kann eine flexible Anpassung der Sicherheitsfunktionen und Grenzwerte über digitale I/Os und/oder FSoE erfolgen. Darüber hinaus kann die sichere geberlose Geschwindigkeitsüberwachung unabhängig vom eingesetzten Motor und damit für eine Vielzahl von Applikationen verwendet werden.

Sichere Maschinenfunktionen

Diese sicheren Funktionen sind exemplarisch für Holzbearbeitungsmaschinen:

  • • SLS (Safe Limited Speed): Mit der Funktion SLS überwacht der Antrieb die Geschwindigkeit sicher. Beim Überschreiten der eingestellten Geschwindigkeitsgrenze erfolgt eine Fehlerreaktion, die bei der Projektierung festgelegt wird. Die SLS-Funktion schützt Werkzeuge vor Überdrehzahl.
  • • SLA (Safe Limited Acceleration): Dazu überwacht die SLA-Funktion die Beschleunigungsrampen. Sie verhindert, dass der Motor die festgelegten Begrenzungen während der Beschleunigung überschreitet.
  • • SS1 (Safe Stop 1): Das Stillsetzen des Antriebs wird durch die Funktion SS1 sicher überwacht. Anschließend wird das Drehmoment abgeschaltet (STO wird aktiviert).
  • • SDLC (Safe Door-Lock Control): Als Haubenverriegelung der Maschine kann die Funktion SDLC verwendet werden, die die Haube nur bei sicherem Stillstand des Motors öffnet (z.B. für den Werkzeugwechsel).
  • • SSM (Safe Speed Monitor) und SMS (Safe Maximum Speed): SSM liefert ein sicheres digitales Signal zur Geschwindigkeitsüberwachung mit dem andere Anlagenteile angesteuert werden können. SMS überwacht permanent eine maximale Geschwindigkeit, ohne die Überwachung extra aktivieren zu müssen.

Ein weiteres Highlight ist die achtfache Verwendung jeder Sicherheitsfunktion. So können im Safety-Modul etwa bei der SLS-Funktion acht verschiedene Drehzahlwerte abgelegt werden, die über sichere Eingänge oder über FSoE angewählt werden können. Ebenso sind mehrere Sicherheitsfunktionen mit nur einem Eingang kombinierbar. Soll z.B. die SLS-Funktion mit einer sicheren Drehrichtung verknüpft werden, so kann dies komfortabel parametriert werden. Als Reaktion auf eine Überdrehzahl bei der SLS-Überwachung kann ein direktes Aktivieren von STO festgelegt werden. Alternativ kann mit einer Fehlerrampe heruntergefahren und dies mit der Funktion SS1 überwacht werden. Darüber hinaus bietet KEB die Möglichkeit, sowohl den Fräs- als auch den Bohrantrieb mit nur einem Drive Controller vom Typ Combivert F6/S6 in der Applikation zu betreiben. Der Sicherheitsteil wird dabei geberlos überwacht. Die jeweiligen Motoren können trotzdem mit Geberrückführung betrieben werden. Diese beiden Arten schließen sich in der Pro-Variante nicht aus. Neben dem Wechsel zwischen verschiedenen Motoren ist es außerdem möglich, die sicher zu überwachenden Grenzen pro Motor zwischen verschiedenen Limits umzuschalten, z.B. im Automatik- oder Einrichtbetrieb.

Re-Design mit reduziertem Aufwand

Beim Neu- oder Re-Design von Maschinenkonzepten nimmt die Integration des sicheren Feldbussystems (FSoE) eine zentrale Rolle ein. Die zu verwendenden Sicherheitsfunktionen können passgenau für die Applikation eingestellt werden. Eine konventionelle sichere Verdrahtung entfällt. Der Anschluss erfolgt über den bereits vorhandenen Feldbus. Notwendige Umschaltungen zwischen verschiedenen sicheren Konfigurationen können direkt im Safety-Modul durchgeführt werden. Alternativ können die sicheren Grenzwerte bei der Verwendung von FSoE auch online im Safety-Modul über Prozessdaten nachgeführt werden. Die Konfiguration der KEB Safety Drives erfolgt mit dem zertifizierten Safety Editor, der in die Parametrierumgebung Combivis 6 integriert ist. Hier können die Sicherheitsfunktionen und die Grenzwerte konfiguriert werden. Diese sicherheitsgerichteten Einstellungen werden dann gesichert und als Download in weitere Antriebe über Combivis oder auch über die Steuerung geladen. Zur Systemdiagnose können aktuelle Parameter und die Fehlerhistorie genutzt werden. Über die Exportfunktion wird die erforderliche Dokumentation schließlich einfach erstellt.

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